4 главных научных открытия года для отрасли ИКТ: выбор CNews17.12.2019 11:54

17.12.2019, Вт, 11:49, Мск , Текст: Эдуард Пройдаков

Мир информационных технологий стремительно развивается, «каждый день что-то новое». Однако немалая часть этих новаций имеет сугубо прикладной характер. По-настоящему фундаментальных новаций, которые скажутся на развитии отрасли, не так много. Большинство надежд на прорыв в области ИТ связаны с квантовыми компьютерами и искусственным интеллектом, но есть и разработки, способные влить новое вино в старые меха «обычного», полупроводникового компьютинга.

1. На пути к «квантовому превосходству»

Квантовые компьютеры — одна из самых «горячих» ИТ-тем последних лет. И в 2019 г. в деле их создания и использования произошли большие подвижки. В начале года IBM представила первые коммерческие квантовые «персональные устройства», ближе к концу Google заявила о том, что ее квантовый компьютер наконец превзошел «обычный».

В январе на международной выставке потребительской электроники CES 2019 корпорация IBM представила Q System One — 20-кубитный квантовый компьютер, который в компании окрестили «первой в мире интегрированной универсальной квантовой вычислительной системой, разработанной для научного и коммерческого применения». В таком заявлении есть доля лукавства — для работы внутри корпуса Q System One требуется поддержание температуры порядка 0,001 К, то есть, практически абсолютного нуля. А в сентябре «Голубой гигант» объявил о предоставлении широкого доступа к своему 53-кубитному компьютеру, расположенному в Центре квантовых вычислений.

Так что можно считать уходящий год годом выхода квантовых компьютеров на коммерческий рынок. И предположить, что наступающий будет богат событиями в этой области.

Немногим позже в широкий доступ, якобы случайно, попала информация о том, что 53-кубитный компьютер Sycamore корпорации Google за 3 минуты 20 секунд создал псевдослучайную последовательность данных с заданным распределением, причем на решение аналогичной задачи классическому суперкомпьютеру Summit от IBM потребовалось бы 10 тыс. лет. Это позволило интернет-гиганту заявить о достижении «квантового превосходства».

По оценке специалистов самой IBM, ее суперкомпьютеру на решение потребовалось бы 2,5 дня, и точность результатов при этом была бы выше. Есть также мнение, что в Google специально подобрали довольно оторванную от жизни задачу, которая относительно проста для квантового компьютера, но требует большого объема вычислений от «классического».

Как бы то ни было, это событие — появление квантового компьютера, способного решать (пусть и несколько странную) задачу быстрее обычного суперкомпьютера, — крайне важно для мира ИТ. Классические процессы изготовления микросхем уже подошли к своему физическому пределу. Сейчас технологическая норма достигла 7 нм, а указанный предел находится где-то в районе 3 нм. Более того, как утверждается, освоение технологий менее 7 нм уже не даст значимого выигрыша в быстродействии.

Создатели традиционных компьютерных систем пытаются обойти законы природы различными способами (о некоторых из них будет сказано ниже), однако радикально картину они не меняют. И надежды на дальнейший прогресс вычислительной техники все чаще возлагаются на квантовые технологии.

В России предлагается выделить p51 млрд на развитие квантовых вычислений. И кое-какие успехи уже есть: у нас уже появился первый прототип квантового компьютера и заработала самая длинная в мире линия связи с квантовым шифрованием.

2. Сверхпроводимость «добавила» 50 градусов

Компьютерные системы, содержащие сверхпроводящие элементы, не будут терять энергию на обогрев окружающего пространства, соответственно, они будут энергоэффективнее и компактнее. Относительно приемлемых температур ученые уже достигли. Осталось дело за малым — добиться сверхпроводимости при сколько-нибудь нормальном давлении.

Еще один резерв повышения производительности компьютеров, как квантовых, так и классических — сверхпроводимость, которая позволит снизить их энергопотребление и, соответственно, тепловыделение. Поэтому за исследованиями в этой области с большим интересом следят и в мире ИТ.

Очередной прорыв в области сверхпроводимости произошел в мае, когда исследователи международной научной группы, среди которых были и наши соотечественники, обнародовали статью, в которой рассказали о достижении сверхпроводимости декагидридом лантана (LaH₁₀) при температуре –23 ⁰С (250К). Это приблизительно на 50 градусов выше, чем прошлый рекорд.

Сообщения об этом появлялись и ранее, но публикация в Nature в научном мире считается своеобразным знаком качества. Скажем, прошлогодняя статья индийских исследований о получении сверхпроводимости при нормальном давлении, верификацию не прошла, их рекорд научным сообществом принят не был, и интерес к этому достижению понемногу сошел на нет.

–23 ⁰С — это нормальная зимняя температура, по крайней мере в России. Проблема лишь в том, что наблюдался эффект сверхпроводимости при давлении почти в 1,7 млн атмосфер. Так что до применения эффекта сверхпроводимости на практике еще очень далеко. Тем более, что следующий кандидат на звание «самого теплого сверхпроводника», декагидрид иттрия YH₁₀, как предсказывают расчеты, будет «сверхпроводить» при температуре аж 47 ⁰С (320 К), но при давлении в 2,5 млн атмосфер.

Но прогресс есть и, по крайней мере, он точно измерим.

3. Металинзы сделают оптические системы более компактными

Незыблемый, казалось бы, принцип, что качественная оптическая система требует много места и стоит дорого, может быть поставлен под сомнение новыми исследованиями в области нанотехнологий.

Главное препятствие на пути миниатюризации современных устройств — законы физики. Оптические элементы «сопротивляются» ей даже упорнее, чем полупроводники. Для размещения полноценной оптической системы требуется место, которого в современных гаджетах нет. Производители смартфонов, например, улучшают качество фотографий с помощью «искусственного интеллекта» (топового смартфона без упоминания о встроенном ИИ сейчас и не сыскать).

Еще одна проблема состоит в том, что изготавливать крошечные линзы с помощью традиционных технологий обработки стекла довольно трудно и дорого.

В качестве альтернативы уже несколько лет предлагаются металинзы — пластинки микронного размера, покрытые наноразмерными столбиками и отверстиями. Металинзы могут менять свойства падающего света — поляризацию, интенсивность, фазу, направление распространения. Набор металинз может менять характеристики света под конкретные нужды.

Эксперименты с металинзами идут уже несколько лет, лидируют в этих исследованиях ученые Гарвардской школы инженерных и прикладных наук, которые в конце 2017 г. решили проблему хроматической аберрации. Суть последней в том, что когда белый свет проходит через обычную линзу, лучи с разными длинами волн отклоняются по-разному и фокусируются в различных точках. Для исправления этого эффекта приходится создавать сложные комбинации линз. А теперь одна металинза может закрыть вопрос.

В начале этого года ученые из Гарварда разработали поляризационно-нечувствительные металинзы, которые могут фокусировать свет всего видимого спектра без аберраций. А в конце года они же разработали металинзы сантиметрового размера (также для работы во всем видимом спектре), которые могут быть изготовлены с использованием традиционных методов изготовления микросхем. За счет этого металинзы, по крайней мере — при большом объеме производства, могут оказаться дешевле обычных. Их, по крайней мере так полагают сейчас, можно будет производить на том же оборудовании, на котором создают и полупроводниковые элементы. Что позволит собирать все части устройств на одной фабрике. Так что звучащие с 2017 г. обещания «камера сматртфона будет снимать как зеркальная» становится реальностью.

Пока же устройства с микролинзами дороги, поскольку не решены проблемы с встраиванием наноэлементов в полупроводниковые устройства. Кроме того, пока прозрачность металинз ниже, чем у обычных, что также ограничивает их применение.

Тем не менее, металинзы ждут в самых разных сегментах ИТ-рынка, от потребительского (их применение могло бы позволить уменьшить и облегчить гарнитуры виртуальной реальности) до корпоративного — устройств интернета вещей, оптоволоконных линий. И даже в квантовом компьютинге собираются применять алмазные металинзы (в алмазе кубиты существуют даже при комнатной температуре).

4. «Традиционный» компьютинг ищет резервы роста в технологиях полувековой давности

Закону Мура, а с ним и традиционному компьютингу предрекают конец уже не первый год, однако производители процессоров раз за разом находят резервы для роста.

Так, британские компании Search For The Next и Semefab разработали технологический процесс производства полупроводниковых изделий Bizen, основанный на технологиях тех времен, когда бал правили биполярные транзисторы. А также на квантовых туннельных эффектах.

Название технологии получилось из слов «биполярный» и «Зенер» (в честь американского физика Кларенса Зенера, описавшего применение используемого в Bizen туннельного эффекта).

Применимость биполярной технологии была ограничена из-за ее требования к резисторам, которые невозможно уменьшать так, как остальные полупроводниковые устройства. Поскольку в технологии Bizen используется квантовое туннелирование, то резисторы становятся не нужны. Это позволяет создавать более простые схемы с большей плотностью элементов. Вдвое уменьшается количество слоев, снижается потребление энергии, уменьшается размер устройства. А скорость изготовления таких устройств, напротив, растет (по утверждению разработчиков — впятеро). При этом относительная простота производственного процесса поможет, как надеются разработчики технологии, вернуть производство на старые полупроводниковые фабрики.

Другой способ преодолеть »7-нанометровое проклятие» продемонстрировала SkyWater Technology Foundry, показавшая первые микросхемы, один слой которых составляют транзисторы на базе углеродных нанотрубок, другой — энергонезависимая память. Через 2,5 года планируется, что по этой технологии удастся создать чип с 50 млн транзисторов, 4 Гбайтами памяти и 9 млн межсоединений на кв. мм между слоями, которые смогут передавать 50 терабит в секунду, потребляя при этом менее 2 пикоджоулей на бит.

А пока новые технологии прокладывают путь в реальную жизнь, текущие задачи приходится решать наличными средствами. В августе компания Cerebras Systems и ее производственный партнер TSMC представили компьютеры CS-1 с самыми большими в мире процессорами. Размеры чипа, названного Wafer Scale Engine — 215×215 мм. На площади 46 225 кв. мм расположены 1,2 триллиона транзисторов (площадь в 57 раз больше, чем у самого крупного графического процессора, а транзисторов — в 78 раз больше), из которых создано 400 тыс. вычислительных ядер, оптимизированных под задачи, связанные с искусственным интеллектом (именно поэтому WSE сравнивают с графическими процессорами, также популярными в ИИ-индустрии). Объем встроенной оперативной памяти — 18 Гбайт, за передачу данных отвечают 12 100-гигабитных каналов. Все это дает возможность CS-1, занимающему около трети стандартной стойки ЦОД (высота компьютера — 15U) заменять собой гораздо более сложные, дорогие и энергоемкие кластеры на графических процессорах.

Полный текст статьи читайте на CNews